离子交换树脂结构及交换原理 .pdfVIP

一．氢型与钠型阳离子交换树脂是什么?

氢型阳离子交换树脂（有时简称氢型树脂）是一种人造有机聚合物产品。最常用

的原料是：苯乙烯或丙烯酸（酯），先经过聚合反应生成具有三度空间立体网状

结构的聚合物骨架（树脂母体），再于骨架上导入不同的「化学活性基」而成。

由于它的活性基，如磺酸基（-SO3H）、羧基（-COOH）等，都含有活性氢离子，

可在水中解离出来，用于与其它阳离子进行交换，所以特别在阳离子树脂名称之

前再冠上“氢型”两字，以与同一系统的“钠型”种类有所区别。不过“钠型”

可以利用强酸处理成为“氢型”，“氢型”也可以用氢氧化钠或食盐水溶液处

理成为“钠型”，即二者可以互相转换。氢型阳离子交换树脂不溶于水和一般溶

剂。和其它离子交换树脂一般，常被制成颗粒状，外观看起来有些像鱼卵，粒径

大约在0.3-1.2mm之间，但大部分在0.4-0.6mm范围内。化学性质相当稳定，

摸起来硬而有弹性，机械强度也足够承受相当压力，颜色由白色至近乎黑色都有，

颜色浅时呈透明状，深时呈半透明状，都有光鲜亮丽的树脂光泽。氢型阳离子交

换树脂最常应用的地方，就是硬水的软化，即让硬水流过树脂层，把硬水中的硬

度离子，如钙、镁等离子吸收在树脂中，就变成不带硬度离子的软水了，这也是

阳离子交换树脂最初被制造的主要目的，但它在工业上应用没有「钠型」来的多，

因为在软化过程中，它会直接释出氢离子，使水质呈酸性，可能会因此腐蚀相关

金属设备。依需要的不同，它也可以应用到水质预处理工艺中，用作软化水质及

降低pH值之用。

二离子交换树脂的结构

离子交换树脂的内部结构，如2．1所示。由三部分组成，分别是：

(1)高分子骨架由交联的高分子聚合物组成：

(2)离子交换基团它连在高分子骨架上，带有可交换的离子(称为反离子)的

离子型官能团或带有极性的非离子型官能团；

(3)孔它是在干态和湿态的离子交换树脂中都存在的高分子结构中的孔(凝胶

孔)和高分子结构之间的孔(毛细孔)。

在交联结构的高分子基体(骨架)上，以化学键结合着许多交换基团，这些交换基

团也是由两部分组成：固定部分和活动部分。交换基团中的固定部分被束缚在高

分子的基体上，不能自由移动，所以称为固定离子；交换基团的活动部分则是与

固定离子以离子键结合的符号相反的离子，称为反离子或可交换离子。反离子在

溶液中可以离解成自由移动的离子，在一定条件下，它能与符号相同的其他反离

子发生交换反应。

三离子交换的基本原理

离子交换的选择性定义为离子交换剂对于某些离子显示优先活性的性质。离子交

换树脂吸附各种离子的能力不一，有些离子易被交换树脂吸附，但吸着后要把它

置换下来就比较困难；而另一些离子很难被吸着，但被置换下来却比较容易，这

种性能称为离子交换的选择性。离子交换树脂对水中不同离子的选择性与树脂的

交联度、交换基团、可交换离子的性质、水中离子的浓度和水的温度等因素有关。

离子交换作用即溶液中的可交换离子与交换基团上的可交换离子发生交换。一般

来说，离子交换树脂对价数较高的离子的选择性较大。对于同价离子，则对离子

半径较小的离子的选择性较大。在同族同价的金属离子中，原子序数较大的离子

其水合半径较小，阳离子交换树脂对其的选择性较大。对于丙烯酸系弱酸性阳离

+3+3+2+2++十

子交换树脂来说，它对一些离子的选择性顺序为：HFeA1CaMgKNa。

离子交换反应是可逆反应，但是这种可逆反应并不是在均相溶液中进行的，而是

在固态的树脂和溶液的接触界面间发生的。这种反应的可逆性使离子交换树脂可

以反复使用。

以D113型离子交换树脂制备硫酸钙晶须为例说明：

D113丙烯酸系弱酸性阳离子交换树脂是一种大孔型离子交换树脂，其内部的网状

结构中有无数四通八达的孔道，孔道里面充满了水分子，在孔道的一定部位上分

2+2-

布着可提供交换离子的交换基团。当硫酸锌溶液中的Zn，S0扩散到树脂的孔

4

2+2+